近日，中國科學院自動化研究所腦網絡組團隊在神經科學領域取得了突破性進展，他們在《神經科學雜志》上發(fā)表了一項重要研究，該研究深入探討了人類大腦皮層連接拓撲結構與遺傳特性之間的內在聯系。
據中國科學院自動化研究所的研究員樊令仲介紹，當我們進行思維、學習和感知活動時，大腦中的神經網絡正在悄無聲息地發(fā)揮著作用。這些神經網絡由數以千億計的神經元構成，并通過數以萬億計的連接實現信息的快速傳遞。然而，這些復雜連接的布局是如何形成的，以及不同腦區(qū)為何能如此規(guī)則地分布在大腦皮層上，一直是神經科學領域的重大謎題。
為了解答這些問題，研究團隊定義了三種主導的腦連接拓撲軸，并發(fā)現了這些拓撲軸與基因表達之間的全局匹配規(guī)律。這一發(fā)現為理解大腦發(fā)育的“基因設計圖”提供了全新的視角。他們利用彌散磁共振成像技術，成功構建出了腦區(qū)間的連接圖，揭示了腦內連接并非隨機分布，而是遵循著三種主要的拓撲軸：背腹軸、前后軸和內外軸。
背腹軸關聯著感覺運動區(qū)與高級認知區(qū)的功能分化，前后軸映射了從初級感知到復雜邏輯的認知層級，而內外軸則反映了皮層表面至深部白質纖維的輻射模式。這三種軸就像是大腦內的“交通主干道”，將不同功能的腦區(qū)有序地配置在大腦皮層上。
研究團隊進一步深入探討了基因與腦連接之間的關系，他們發(fā)現復雜腦連接的空間布局在很大程度上受到基因的影響。通過對人腦基因表達數據的深入分析，他們發(fā)現一些關鍵基因在特定腦區(qū)有更高的表達，這種空間差異性與腦連接的空間拓撲分布密切相關。例如，負責神經元生成的基因在發(fā)育早期會形成梯度式分布，這種基因梯度不僅決定了腦區(qū)的功能，還為神經纖維的連接提供了方向。
在眾多基因中，研究團隊特別關注了FGF8、PAX6和WNT3等關鍵形態(tài)發(fā)生原相關基因。這些基因在胚胎期表達活躍，通過調控信號傳導通路，影響腦區(qū)的分化和神經元的連接模式。更有趣的是，這些基因在成年后仍繼續(xù)影響腦的結構和功能，并在連接多個腦區(qū)的過程中發(fā)揮了重要作用。這一發(fā)現為我們深入理解復雜的人類大腦組織規(guī)則提供了全新的視角。
該研究的核心成果之一是定義了全腦尺度的腦連接模式，即“全局連接拓撲（Global Connectopy）”，并發(fā)現其與基因表達之間存在顯著的吻合。這種吻合表明，盡管基因數量與神經連接數量相差懸殊，但基因可以通過某種簡單的規(guī)則影響復雜的連接布局。研究團隊推測，這些規(guī)則可能是一種“梯度驅動”的模式，即基因通過空間梯度的方式引導了腦連接的精準布線。
這一發(fā)現不僅有助于我們深入理解大腦的功能分區(qū)以及遺傳對大腦組織規(guī)律和功能的影響，還為理解大腦皮層的區(qū)域分化、功能整合以及神經環(huán)路的形成提供了新的理論框架。通過識別與腦連接模式相關的關鍵基因及其功能，該研究為探索神經發(fā)育障礙和腦疾病的遺傳機制提供了新的線索。
值得注意的是，該研究論文發(fā)表后迅速引起了學術界的廣泛關注?！渡窠浛茖W雜志》將該研究選為當期的“本周期刊亮點”特色文章，并進行了專題報道。兩位審稿人也對研究團隊的這一發(fā)現給予了高度評價，認為它揭示了大腦皮層連接異質性的遺傳基礎，為神經科學領域的研究提供了重要信息。
這一突破性成果不僅加深了我們對大腦復雜組織的理解，也為未來的神經科學研究提供了新的方向。隨著研究的深入，我們有望進一步揭開大腦的神秘面紗，為神經發(fā)育障礙和腦疾病的治療提供新的思路和方法。
